上充泵水力性能分析

上充泵水力性能分析

在核電站冷態(tài)系統(tǒng)（回路）中，充液泵的功能復(fù)雜，具有低流量、高揚(yáng)程度和高旋轉(zhuǎn)速度的特點(diǎn)。通常使用多段式雙殼結(jié)構(gòu)的離心。百萬千瓦級的核電站中一回路的絕對壓力高于0.3MPa時,上充泵就必須運(yùn)行。上充泵的功能主要有:①反應(yīng)堆正常運(yùn)行時為一回路補(bǔ)充含有硼酸的上充水,穩(wěn)定回路系統(tǒng)壓力15.15MPa,上充流量為10.15m3/h;②向3臺主泵提供流量為5.4m3/h的機(jī)械密封冷卻水,保證主泵機(jī)械密封正常工作,阻止主泵內(nèi)有放射性的一回路水外泄;③當(dāng)一回路出現(xiàn)如破口等失水事故時,上充泵在高壓安注工況運(yùn)行,將反應(yīng)堆換料水箱中的高濃度硼酸水注入一回路,以控制反應(yīng)性。當(dāng)出現(xiàn)換料水箱低水位時,安注自動轉(zhuǎn)入再循環(huán)階段。上充泵需精確滿足5個工況點(diǎn)的要求,上充工況:13.6m3/h,34m3/h,110m3/h;高壓安注工況:148m3/h,160m3/h;此外還有一個極限小流量工況點(diǎn)5m3/h的要求,此工況點(diǎn)規(guī)格書要求至少能安全運(yùn)行1小時。所以泵的水力模型設(shè)計難度很大,制造難度也很高。圖1為核電站一回路示意圖,扁圓框內(nèi)為上充泵。法國幾納(GUINARD)公司生產(chǎn)的上充泵(如圖2所示)為臥式雙殼體12級離心泵,半抽芯結(jié)構(gòu),主要由葉輪、導(dǎo)葉、泵軸、機(jī)械密封、推力軸承、2道介質(zhì)自潤滑導(dǎo)軸承(左側(cè)封閉端,中部)、泵蓋等零部件組成。通常多級離心泵各級過流部件均采用相同的一種水力模型,若需要改善泵的汽蝕性能,則可采用2種水力模型組合的設(shè)計方案,即首級與其余各級幾何參數(shù)不同,為保證2種水力模型都在高效區(qū)工作,要求2種水力模型最佳工況點(diǎn)流量相同或相近的葉輪水力模型。GUINARD公司上充泵水力模型采用3種設(shè)計方案:方案1為首級葉輪,共1級,葉片3片,葉輪吸入口最大;方案2為2～4級葉輪,共3級,葉片3片,葉輪吸入口適中;方案3為5～12級葉輪,共8級,葉片5片,葉輪吸入口最小。軸向力平衡:1～4級葉輪正向布置,吸入口朝向電動機(jī),5～12級葉輪反向布置,正向布置葉輪軸向力與封閉端高壓水作用力之和,與反向葉輪軸向力相平衡,殘余軸向力由可傾瓦推力軸承來承受,正反葉輪之間的流體通過導(dǎo)葉上的內(nèi)流道相連通。徑向力平衡:徑向力主要由轉(zhuǎn)子重量構(gòu)成,由中部和封閉端流體自潤滑導(dǎo)軸承來承受。進(jìn)出口管嘴與泵蓋為焊接結(jié)構(gòu),與管道采用法蘭聯(lián)接。國內(nèi)主要有2種型號的GUINARD上充泵,分別在大亞灣和嶺澳核電站。泵的性能參數(shù)見表1。德國KSB公司(KSB-AG)生產(chǎn)的上充泵是臥式多級筒袋式泵,為全抽芯結(jié)構(gòu),如圖3所示。泵出口名義直徑100mm,葉輪外徑205mm,共有12級,有一個吸入管嘴和一個出口管嘴。吸入管嘴與出口管嘴與泵外殼體為法蘭聯(lián)接,與管路聯(lián)接形式為焊接,從泵吸入側(cè)到吐出側(cè)沿軸線依次裝有各級徑向式葉輪和導(dǎo)葉。首級葉輪與其余11級不同,首級葉輪5枚葉片,其余11級為7枚葉片,軸向推力由平衡鼓來平衡?？梢宰鳛橐粋€整體從泵外殼體中抽出而不影響管路聯(lián)接和電機(jī)的安裝的泵芯包部件,包括轉(zhuǎn)子部件、軸承部件、密封部件、泵吸入體、導(dǎo)葉、平衡鼓部件和泵蓋。這種全抽芯設(shè)計可以使得檢查和維護(hù)的時間及日常維護(hù)時對維護(hù)人員的核放射量減到最小。在圓柱形外殼體-泵殼的鍛件制造過程中,應(yīng)力分析及無損檢驗(yàn)的工藝步驟可以方便和可靠地進(jìn)行操作。為避免焊接,管路與泵外殼體的聯(lián)接采用螺栓緊定的法蘭聯(lián)接。泵外殼體、泵吸入體,泵蓋和密封室組成泵的壓力邊界。為防止轉(zhuǎn)子部件在裝配或解體時劃傷,在安裝葉輪的軸段處噴鍍鉻。由碳制成的耐磨環(huán)安裝在靜子上,與葉輪形成間隙。耐磨環(huán)、葉輪及它們之間的間隙相當(dāng)于介質(zhì)自潤滑水動力軸承,有穩(wěn)定轉(zhuǎn)子的作用。泵與增速箱及增速箱與電動機(jī)之間均采用帶有中間段的撓性聯(lián)軸器聯(lián)接。在拆除聯(lián)軸器的中間段之后,不需要移動電動機(jī)就可對泵吸入側(cè)的徑向軸承和機(jī)械密封進(jìn)行檢查和維護(hù)。此類型的上充泵的設(shè)計優(yōu)點(diǎn)為,在大多數(shù)情況下可以自運(yùn)行,即除了電源,不需要任何外部系統(tǒng)支持。與其他設(shè)計不同,軸承部件不需要外部供油。葉輪和導(dǎo)葉采用精密鑄造方法進(jìn)行制造,達(dá)到了較高的尺寸精度和表面粗糙度,甚至不需要進(jìn)行額外的機(jī)加工。在吸入側(cè),轉(zhuǎn)子部件徑向力由徑向滾動軸承承受。在出口側(cè),一對角接觸超精密彈簧預(yù)壓緊式圓錐滾子軸承承受殘余的軸向力,以確保泵在運(yùn)行過程中無載荷端也在工作。德國KSB公司(KSB-AG)上充泵用于遼寧紅沿河一期1、2、3、4號機(jī)組、福建寧德一期、海南昌江、廣西防城港核電站。日本三菱(MITSUBISHI)公司生產(chǎn)的上充泵為臥式雙殼體11級離心泵,如圖4所示,為全抽芯結(jié)構(gòu),泵內(nèi)殼體為軸向剖分結(jié)構(gòu),水力模型為首級雙吸葉輪,其余10級徑向單吸葉輪,2～6級葉輪與7～11級葉輪為背對背布置。雙吸葉輪和背對背布置的葉輪自平衡軸向力。泵組主要由泵外筒體、出口泵蓋、進(jìn)口泵蓋、進(jìn)口管嘴、出口管嘴、泵內(nèi)殼體、導(dǎo)葉、葉輪、底架、機(jī)械密封、軸承等零部件構(gòu)成,其中泵外筒體、出口泵蓋、進(jìn)口泵蓋、進(jìn)口管嘴、出口管嘴為鍛件,泵內(nèi)殼體、導(dǎo)葉、葉輪為鑄件。進(jìn)口管嘴與出口管嘴焊接到泵外筒體上,與管路聯(lián)接方式為法蘭聯(lián)接,泵支撐為焊接型式并與泵外筒體焊接;上充泵在從低溫7℃到高溫120℃的熱沖擊工況期間,為避免汽蝕,葉輪采用雙吸結(jié)構(gòu)以降低汽蝕的發(fā)生;導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)型式為流道式導(dǎo)葉以改善水力性能。日本三菱公司(MITSUBISHI)上充泵主要用于秦山二期、浙江方家山以及福建福清核電站1、2號機(jī)組。烏克蘭蘇米(SUMMY)公司生產(chǎn)的上充泵為臥式雙殼體多級離心泵,泵機(jī)組為臥式、筒袋式階段多級泵,共15級,泵進(jìn)口接管與管路為法蘭聯(lián)接,出口接管與管路為焊接型式,轉(zhuǎn)子由帶油浴的滑動軸承來支撐,泵殼為鍛件結(jié)構(gòu),泵殼有4個撐腳安裝在焊接底架上,泵設(shè)計為全抽芯結(jié)構(gòu),以減少維修時間,拆下液壓螺栓螺母(序號54、55)、與左端半聯(lián)軸器相配的聯(lián)軸器及相關(guān)儀表,無須拆卸電機(jī)、管路,就可由圖5中右側(cè)整體抽出芯包。由水力設(shè)計可知,泵軸向力由出口指向進(jìn)口,總的軸向力10多噸,軸向力主要由平衡盤部件來平衡,大約平衡掉90～95%的總的軸向力,殘余的軸向力由圖5右側(cè)的球軸承來承受,經(jīng)過平衡盤裝置節(jié)流后的工作介質(zhì)經(jīng)過機(jī)械密封組件后回到進(jìn)口;由圖5可以看出首級葉輪與其它14級葉輪不同,上充泵入口溫度要經(jīng)受從7℃～120℃瞬間變化,也就是我們所說的熱沖擊工況,增大首級葉輪的進(jìn)口直徑能有效地改善泵的汽蝕;泵的左右側(cè)安裝有甩油裝置,防止軸承室內(nèi)的潤滑冷卻油沿軸向外泄漏。用于我國江蘇田灣核電站一期工程1、2號機(jī)組,由俄羅斯承建的核電站所用的上充泵,只執(zhí)行上充功能,同時另外配備高壓安注泵。秦山一期核電站,德國KSB公司立式RVM上充泵共有23級,全抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)計,泵殼為鍛件型式,主要由以下功能部件組成:一個單端面機(jī)械密封,一個油潤滑能承受徑向力/軸向推力聯(lián)合軸承,23級葉輪、導(dǎo)葉、中段泵殼,23級水潤滑軸承,平衡鼓;平衡鼓能承受約95%的軸向力,殘余軸向力由徑向/軸向推力聯(lián)合軸承來承受,泵吸入管嘴與泵殼為法蘭聯(lián)接形式,這樣就避免了焊接;經(jīng)由節(jié)流后流體通過密封腔冷卻機(jī)械密封后沿泵殼直接導(dǎo)入到進(jìn)口,改善了入口的吸入性能,軸承室安裝有冷卻盤管以降低軸承箱的溫升,盒裝式機(jī)械密封可以減少更換密封的時間;此泵除了電源外可直接啟動無需任何外部輔助設(shè)備供應(yīng),立式結(jié)構(gòu)也減小了安裝空間。性能參數(shù)n=2955r/min,P=350kW,6000V,Q=25m3/h,H=1768m,D2=200mm,23級。國內(nèi)制造商重慶水泵廠于2009年11月19日,和中國核電工程有限公司合作研發(fā)的百萬千瓦級壓水堆核電站離心式上充泵樣機(jī)通過專家鑒定。外形照片如圖7所示。綜上所述表明,上充泵是涉及壓水堆核電站安全的關(guān)鍵設(shè)備,俗稱為核電站的一個重要的“安全閥”,目前該產(chǎn)品僅有美、法、日本等國家能夠制造,我國核電上充泵全部依賴進(jìn)口。上充泵的設(shè)計需確保泵組在事故工況時,能夠承受介質(zhì)溫度從7℃瞬間上升到120℃的熱沖擊工況考驗(yàn);上充泵在額定流量為5m3/h的極限小流量工況下運(yùn)行l(wèi)h以上;上充泵在事故工